Kabel und Leitungen für industrielle Anwendungen
Beschleunigungswerten bis 50 m/s² standhalten
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die Materialauswahl entscheidet
Die für Kabel und Leitungen heute üblicherweise eingesetzten Werkstoffe unterscheiden sich in ihrem molekularen Aufbau und somit in ihren grundlegenden physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Flammwidrigkeit und Beständigkeit gegen gewisse Öle. Zwar dominieren im Bereich der Isolationsmaterialien weiterhin PVC-isolierte Leitungen den Markt; daneben kommen aber durchaus auch andere Werkstoffe zum Einsatz, wie beispielsweise thermoplastische Elastomere (TPE) oder PP. Auch in Bezug auf Mantelmaterialien hat sich PVC gehalten, wenngleich sich auch TPE- oder PUR-ummantelte Leitungen für diese Zwecke eine entsprechende Daseinsberechtigung erarbeitet haben.
PVC überzeugt durch relativ gute mechanische Festigkeit, einen guten Isolationswiderstand und Flexibilität zu einem günstigen Preis. Etherbasierendes PUR stellt Mikrobenbeständigkeit sicher und punktet darüber hinaus mit hoher Verschleißfestigkeit, Zugfestigkeit, Beständigkeit gegen gewisse Öle sowie guter Flexibilität. Es handelt sich hierbei um thermoplastische Elastomere.
Grundsätzlich lässt sich sagen, dass Kabel und Leitungen im Bereich hochdynamischer Anwendungen Beschleunigungswerten von bis zu 50 m/s² standhalten müssen. Doch nicht die Beschleunigung steht bei der Materialauswahl im Vordergrund, vielmehr geht es dabei gleichermaßen um sehr abrupte Verzögerungsvorgänge. Innerhalb eines Bruchteiles einer Sekunde wird die Leitung bis zum Stillstand abgebremst – und genau hierfür ist eine gewisse Eigensteifigkeit der Leitung unabdingbar.
Diese muss durch geeignete Isolationsmaterialien sichergestellt werden, um die Eigenschwingung der Leitung zu minimieren. Denn letztlich führt bei den sehr hohen Kräften, die im System „Führungskette“ bei hochdynamischen Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen entstehen, eine fehlerhafte Materialauswahl unweigerlich zu Leiterbrüchen.
Um beispielsweise unerwünschte Sekundärschwingungsanregungen des gesamten Systems zu vermeiden, müssen entgegen der scheinbar offensichtlichen Lösung, relativ eigensteife Materialien zum Einsatz kommen. Bewährt hat sich hierbei besonders der Isolierwerkstoff Polypropylen, der bei hohe Festigkeit und geringer Dichte sehr gute elektrische Isolationseigenschaften aufweist. Dies erlaubt es, insgesamt weniger Material zu verwenden, wodurch die Leitung schlanker, leichter und flexibler wird. Das geringere Gewicht (kg/m) hat zudem den positiven Effekt, dass ggf. auch kleinere und damit auch leichtere Energieketten verwendet werden können. Mit kleineren Ketten und verringertem Mindestbiegeradius können die Energieführungssysteme kompakter ausgeführt werden.
Die geringeren bewegten Massen machen sich zudem positiv durch geringeren Energieverbrauch für ständig wiederkehrende Beschleunigungs- und Bremsvorgänge der Maschine bemerkbar. Auch Platzersparnis und Energieeffizienz tragen über die Lebenszeit einer Maschine hinweg zu einer erhöhten Gesamteffizienz bei.
Während Kupfer nahezu unverwüstlich ist, unterliegen die Isolations- und Mantelwerkstoffe unweigerlich gewissen Alterungsprozessen, bedingt durch das Gleit- und Abriebverhalten im Wechselspiel mit der Führungskette. Ergo handelt es sich hier um Verschleißteile, die regelmäßig ersetzt und ausgetauscht werden müssen. Um gezielte Aussagen im Hinblick auf die zu erwartende Anzahl von Wechselbiegezyklen (Lebensdauer) treffen zu können, werden FD/CHAIN-Leitungen bei Lapp stets intensiven und vor allem praxisnahen Tests unterzogen. Hierfür stehen zahlreiche Führungsketten-Testanlagen mit unterschiedlichen Verfahrweglängen, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbereichen zur Verfügung. Um hochdynamischen Einsatzfeldern gerecht zu werden, sind dabei Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s und Beschleunigungen von bis zu 100 m/s² möglich.
Hinsichtlich des Biegeradius der Leitungen gilt: Je größer der Mindestbiegeradius einer Leitung ist, desto größer der Platzbedarf der Führungskette in der Maschine. Neben dem Mindestbiegeradius spielt im Hinblick auf den benötigten Platzbedarfs aber auch der physikalische Aufbau der Leitung eine Rolle. In der Vergangenheit haben sich zwei unterschiedliche Verseiltechniken etabliert:
- Lagenverseilung (Adern in konzentrischen Lagen um die Leitungsachse platziert)
- Bündelverseilung (mehrere Adern in Bündeln zusammengefasst und mit anderen Bündeln um die Leitungsachse verseilt)
Als wesentliche Vorteile lagenverseilter Führungskettenleitungen sind sicherlich geringere Außendurchmesser - variiert je nach Querschnitt und Aderzahl und leichtere Abmantel-/Abisolierbarkeit zu nennen. Ohnehin wird das Verfahren „Bündelverseilung“ erst bei größeren Aderzahlen >12 angewendet. Was die Lebensdauer betrifft, haben sich nach zahlreichen Tests im eigenen Prüflabor keine nennenswerten Unterschiede der beiden Verseiltechniken herauskristallisiert. Als Vorteil bündelverseilter Leitungen bleibt eine höhere Beständigkeit gegenüber Torsionsbelastungen zu nennen. Bedingt durch einen geringeren Außendurchmesser lagenverseilter im Vergleich zu bündelverseilten Kabeln und Leitungen benötigt man weniger Platz in der Kette, was durchaus zur Auswahl einer kleineren Kette führen kann. Denn die Auswahl der Führungsketten muss entsprechend den Erfordernissen der benötigten Leitungen erfolgen und nicht umgekehrt!
Auch das Gewicht des gesamten Systems „Führungskette“ ist zu beachten. Gerade bei hochdynamischen Applikationen ist das Gewicht der Leitung von besonderem Interesse. Die Kraft, die durch die Bewegungsvorgänge entsteht, ergibt sich bekanntlich aus dem Produkt von Masse und Beschleunigung. Um also bei steigenden Anforderungen in Bezug auf Beschleunigungswerte keine riesigen Kräfte zu erhalten, gilt es die Masse aller bewegten Teile zu reduzieren. Hierzu zählen neben der Leitung die Führungskette sowie alle weiteren bewegten Elemente wie Tragorgane und Führungsschlitten. Wie bereits erwähnt, erlangt man durch Lagenverseilung einen geringeren Außendurchmesser und hieraus resultierend auch ein niedrigeres spezifisches Gewicht der Leitung. Dies hat zur Folge, dass auch die Flächenbelastung der Führungskette geringer ist und somit bei geringerem Energieverbrauch höhere Beschleunigungswerte möglich sind.
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